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IP協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—重裝模塊(一)
內(nèi)容摘要
IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議），是TCP/IP 協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的數(shù)據(jù)在此協(xié)議機(jī)制下都以IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式傳輸。當(dāng)分組過(guò)大不適合在所選硬件接口（即不同網(wǎng)絡(luò)）上發(fā)送時(shí)，就要對(duì)其分片。在目的主機(jī)上再把所有分片組裝成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)報(bào)，提交給上層協(xié)議處理。本次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具為Turboc2.o+win2000，由我們3人獨(dú)立完成，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想完成對(duì)所有分片的重裝，實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議的重裝模快。
（一）IP協(xié)議重裝原理及功能分析
1：設(shè)計(jì)背景
我們知道，每一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層都有自己的幀格式，在格式里面規(guī)定了數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度，即MTU。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀時(shí)，長(zhǎng)度都應(yīng)該小于此長(zhǎng)度，因此，為了適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)，就要對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片，分片帶來(lái)的問(wèn)題就是要對(duì)分片進(jìn)行重裝。
2：重裝依據(jù)—>IP數(shù)據(jù)報(bào)首部
0 15 16 31
4位版本 4位首部長(zhǎng)度 8位TOS 16位總長(zhǎng)度（字節(jié)）
16位標(biāo)識(shí) 3位標(biāo)志 13位片偏移
8位TTL 8位協(xié)議 16位首部檢驗(yàn)和
32位源IP地址
32位目的IP地址
32位選項(xiàng)
數(shù)據(jù)
(圖1)IP首部
首部共20字節(jié)。
把一份IP數(shù)據(jù)報(bào)分片后，只有到達(dá)目的地才進(jìn)行重新組裝。重新組裝由目的端的IP層來(lái)完成，其目的是分片與重新組裝過(guò)程對(duì)傳輸層是透明的。如圖（1）IP首部為分片后的重裝提供了必要的信息：首先，其標(biāo)識(shí)字段包含一個(gè)唯一的值，該值在分片后被復(fù)制到每個(gè)片中；其次，標(biāo)志字段由3個(gè)1bit組成，比特0是保留的，必須為0，比特1是“不分片”，比特2是表示“更多的片”標(biāo)志，標(biāo)志字段其它13bit指出該片偏移原始數(shù)據(jù)報(bào)開(kāi)始處的位置，以8字節(jié)單元計(jì)算，因此，除最后一個(gè)分片外，其他每個(gè)分片都望是一個(gè)8字節(jié)倍數(shù)的數(shù)據(jù)，從而使后面的分片從8字節(jié)開(kāi)始。當(dāng)數(shù)據(jù)被分片后，片總長(zhǎng)要改為該片的長(zhǎng)度。當(dāng)IP數(shù)據(jù)報(bào)被分片后，每個(gè)片都有自己的首部，這樣在目的端就有足夠的信息來(lái)組裝這些數(shù)據(jù)報(bào)分片。
處理思想：
IP協(xié)議是個(gè)無(wú)連接的協(xié)議，無(wú)連接是指IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息，因此它不能保證分片都按序到達(dá)，另外，屬于一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的分片也可能與另一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)分片混雜在一起，。為了解決上述問(wèn)題，我們可
以用重裝表圖（2）和一些想關(guān)鏈表完成。重裝表做的就是找出當(dāng)前分片是那個(gè)組的，將屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的分片進(jìn)行排序，當(dāng)所有的分片都到達(dá)時(shí)將它們重新組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，當(dāng)然在接收數(shù)據(jù)時(shí)都有一定時(shí)間限制，當(dāng)建立的超時(shí)限已過(guò)，同時(shí)有的分片丟失了，則將接受到的分片都丟掉。
處理過(guò)程：
當(dāng)接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，如果其的片偏移為0而還有“更多分片“也為0，則將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到適當(dāng)對(duì)列，反之，就去查找重裝表項(xiàng)目，如果沒(méi)有找到，就建立一個(gè)新的項(xiàng)目，找到了就在鏈表適當(dāng)?shù)胤讲迦氪朔制．?dāng)所有的分片都已經(jīng)到達(dá)，就重裝這些分片，將其發(fā)送到高層協(xié)議，反之，就檢查是否超時(shí)，如果超時(shí)，就丟棄所有分片同時(shí)發(fā)送ICMP差錯(cuò)報(bào)文。
功能分析：
通過(guò)上述處理就完成了對(duì)分片的重裝，就實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀的傳輸。
ST SA DI To F
……….
——>鏈表
圖（2）重裝表
——>鏈表
ST:狀態(tài)；SA:源址，DI:數(shù)據(jù)報(bào)ID；TO:超時(shí)；F:分片
（二）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義及處理流程
1：變量定義：
數(shù)據(jù)報(bào)首部：
數(shù)據(jù)報(bào)首部 說(shuō)明
ip_id 標(biāo)識(shí)字段
ip_off 標(biāo)志字段
IP_DF 標(biāo)志字段的”不分片”標(biāo)志
IP_MF “更多分片“標(biāo)志
ip_src 源地址
ip_dst 目的地址
ip_p 協(xié)議值
ip_len 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度
記數(shù)統(tǒng)計(jì)量：
ipstat成員 說(shuō)明
ips_cantfrag 要求分片但被DF禁止而沒(méi)有發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)數(shù)
ips_odropped 內(nèi)存不足而被丟棄的分組數(shù)
ips_ofragments 被發(fā)送的分組數(shù)
ips_fragmented 未輸出的分片的分組數(shù)
全局變量：
ipq：類型Struct,說(shuō)明—>重裝表
2：函數(shù)設(shè)計(jì)：
函數(shù) 說(shuō)明
ipintr() 接收分片并交給ip_reass()處理，最后由它把封裝好的數(shù)據(jù)報(bào)傳給上層
ip_reass() 接受來(lái)自ipintr()的分片，并對(duì)其進(jìn)行重裝，最后把重裝好的數(shù)據(jù)報(bào)交給ipintr()函數(shù)
3用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及必要的說(shuō)明：
ipq(重裝表)結(jié)構(gòu)：
struct ipq{
struct ipq *next,*prev; /*重組報(bào)頭*/
char ipq_tll; /*重裝生存時(shí)間*/
char ipq_p; /*此片用到的協(xié)議*/
short ipq_id; /*重裝序列號(hào)*/
struct ipastrag *ipq_next,*ipq_prve; /*分片的IP報(bào)頭*/
struct in_addr, ipq_src,ipq_dst; /*地址清單、目的與源地址*/
}
ipasfrag（過(guò)度結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)：
struct ipasfrag{
/* 預(yù)處理*/
#if BYTE_ORDER==LITTLE_ENDIAN
Char ip_hl=4,ip_v=4;
#endif
#if BYTE_ORDER==BIG_ENDIAN
char ip_v=4,ip_hl=4;
#endif
char ipf_mff; /* ipf_mff成員覆蓋ip結(jié)構(gòu)中的服務(wù)字段，*/
/*防止報(bào)頭損壞，從標(biāo)志字段復(fù)制*/
short ip_len/*下是報(bào)頭定義，與ipq結(jié)構(gòu)類似*/
unsigned short ip_id;
short ip_off;
unsigned char ip_p;
unsigned short ip_sum;
struct ipasfrag *ipf_next,*ipf_prev;
}
3詳細(xì)流程：
ipintr先要對(duì)接收到的分片進(jìn)行處理，如果它檢查到MF或分片偏移為非0，則分組就是一個(gè)必須重裝的分片，反之，就可以跳過(guò)重裝。當(dāng)一個(gè)緩存區(qū)無(wú)法容納分組時(shí)，接口就將整個(gè)分組返回，在ipintr函數(shù)中在處理前應(yīng)將IP首部移到緩沖區(qū)上。ipintr把一個(gè)要處理的分片傳給和一個(gè)指針傳給ip_reass,其中指針指向ipq中匹配的的重裝首部，ip_reass可能把分片重裝并返回一個(gè)完整的數(shù)據(jù)報(bào)（只有一個(gè)分片），也可能將該分片鏈接到數(shù)據(jù)報(bào)的重裝鏈表上（不只一個(gè)分片），等其他分片到達(dá)后重裝。ip_reass在一個(gè)由ipf_next和ipf_prev鏈接起來(lái)的雙向循環(huán)鏈表上，并收集某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)分片。當(dāng)在重裝時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，ip_reass就丟棄該分片，返回一個(gè)空。在設(shè)計(jì)中，最多實(shí)現(xiàn)重裝576字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)。ip_reass先創(chuàng)建重裝表，然后切斷分組，在重裝表中找相應(yīng)位置，插入分組，再重裝數(shù)據(jù)報(bào)。
流程圖：圖（3）
以上就是重裝的流程圖。在超時(shí)檢查時(shí)，如果沒(méi)有超時(shí)，則繼續(xù)接收，直到完成為止。
（三）基本代碼實(shí)現(xiàn)
由于只有一個(gè)模快，故沒(méi)有主函數(shù)main(),以下就是函數(shù)ipintr()與ip_reass的實(shí)現(xiàn)以及必要的說(shuō)明，其中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義包含在chong_z.h中。
IP數(shù)據(jù)報(bào)首部定義：
struct ip{
/* 預(yù)處理*/
#if BYTE_ORDER==LITTLE_ENDIAN
unsigned char ip_hl=4,ip_v=4;
#endif
#if BYTE_ORDER==BIG_ENDIAN
usigned char ip_v=4,ip_hl=4;
#endif
unsigned char ip_tos;/*服務(wù)類型，下面的前面已給出*/
short ip_len;
short id;
short ip_off;
#define IP_DF 0x4000;/*不分片標(biāo)志*/
#define IP_MF 0x2000;/*更多分片標(biāo)志*/
#define IP_OFFMASK 0x1fff;/* 分段位*/
unsigned char ip_ttl;
unsigned char ip_p;
unsigned short ip_sum;/*檢驗(yàn)和*/
struct in_addr,ip_src,ip_dst;
};
mbuf緩沖區(qū)定義：
struct m_hdr{
struct mbuf *mh_next;/*鏈表的下一個(gè)緩沖區(qū)*/
struct mbuf *mh_nextpkt;/*對(duì)列中的下個(gè)鏈表*/
int mh_len; /*緩沖區(qū)數(shù)據(jù)總數(shù)*/
short mh_type; /*數(shù)據(jù)類型*/
short mh_flags; /*標(biāo)志位*
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